Лабораторное моделирование атмосферных процессов
Лабораторное моделирование в физике атмосферы представляет собой метод воспроизведения природных процессов в контролируемых условиях, с целью более глубокого понимания механизмов их протекания, проверки теоретических моделей и разработки прикладных решений для метеорологии, климатологии и смежных дисциплин. Особую роль этот метод играет там, где прямые наблюдения затруднены или невозможны (высокие слои атмосферы, экстремальные погодные явления и др.).
В отличие от численного моделирования, лабораторный подход позволяет наблюдать реальные физические эффекты, протекающие в атмосфере, что особенно ценно при изучении нестабильных и нелинейных процессов, таких как турбулентность, конвекция, волновая динамика, процессы переноса тепла и массы.
1. Масштабирование физических величин Переход от реальных атмосферных условий к лабораторным невозможен без соблюдения принципов подобия. В процессе масштабирования ключевыми являются следующие безразмерные параметры:
Цель масштабирования — сохранить динамическую и термодинамическую подобие между моделью и атмосферой, что достигается путём выбора соответствующих жидкостей, температурных градиентов, геометрических масштабов и т.д.
2. Подобие граничных условий Границы в лабораторной модели (стенки сосуда, нагревательные элементы и т.п.) должны воспроизводить поведение естественных границ атмосферы — земной поверхности, тропопаузы, инверсий и др.
1. Конвективные ячейки (ячейки Рэлея–Бенара) Используются для изучения вертикальной конвекции в атмосфере. Представляют собой слой жидкости, нагреваемый снизу и охлаждаемый сверху. При достижении критического градиента температуры возникают конвективные ячейки — аналог термиков и облаков в атмосфере. Модель позволяет исследовать:
2. Вращающиеся танки (танки Тейлора–Куэтта, танки Кориолиса) Позволяют моделировать влияние вращения Земли на атмосферные процессы. В них можно наблюдать:
3. Модели турбулентных струй и вихрей Используются для изучения турбулентности и смешивания в атмосфере. Распространение загрязняющих веществ, тепло- и влагоперенос изучаются с использованием:
4. Модели облакообразования и капельных процессов Воссоздаются процессы конденсации и коалесценции в специальных барокамерах, где регулируются температура, влажность и давление. Моделируются:
5. Модели загрязнения атмосферы и аэрозольного транспорта Применяются при изучении движения и трансформации аэрозолей, их взаимодействия с радиацией и конденсацией. Используются аэрозольные камеры с лазерной диагностикой и чувствительными фотометрическими приборами.
1. Оптические методы
2. Термометрия и тепловизуализация Используются высокочувствительные термопары, инфракрасные камеры и термографы для регистрации температурных полей и их изменений во времени.
3. Акустические и ультразвуковые методы Позволяют определять скорость потоков, концентрации газа, турбулентные флуктуации.
4. Электрические и ионные измерения В том числе для изучения электрических полей в облаках, ионных токов и грозовых процессов.
1. Бароклинная нестабильность и атмосферные фронты С помощью вращающихся танков с горизонтальными температурными градиентами удаётся воспроизвести формирование фронтальных структур и вихрей, аналогичных циклонам умеренных широт.
2. Инверсии и застойные явления В стратифицированных моделях (с различной плотностью слоёв) можно наблюдать поведение загрязнений при инверсиях, их вертикальное ограничение, а также движение слоёв в атмосфере.
3. Гравитационно-волновые процессы Создаются посредством возмущений в слоисто-стратифицированных жидкостях; исследуется передача энергии, диссипация и влияние на вертикальное перемешивание.
4. Моделирование климата и глобальной циркуляции Хотя в ограниченном масштабе, создаются модели с внешним нагревом и вращением, имитирующие планетарную циркуляцию — ячейки Хэдли, Феррела и полярные.
Тем не менее, при грамотной постановке эксперимента и чётком понимании физической природы явлений, лабораторное моделирование предоставляет ценные данные, особенно при валидации численных моделей и проверке теоретических предпосылок.
Лабораторные эксперименты играют связующее звено между теорией, численным моделированием и наблюдениями в природе. Их данные используются:
Современные лаборатории атмосферной физики представляют собой высокотехнологичные комплексы, включающие:
Комплексность и стоимость подобных установок велика, но их вклад в понимание физики атмосферы и климатических процессов неоценим.